柴油机风扇系统仿真分析与优化

□ 朱冬月 □ 李鹏飞 □ 李艳君

潍柴动力股份有限公司 山东潍坊 261061

1 分析背景

随着计算机技术的高速发展,计算机辅助工程仿真技术的应用越来越广泛。新技术的应用对降低研发成本、缩短研发周期具有重要意义。计算机辅助工程仿真技术在汽车行业中应用,已形成成熟的流程和规范,汽车的整个研发过程都离不开计算机辅助工程仿真技术[1-3]。以新能源汽车为例,计算机辅助工程仿真技术的应用贯穿了机械、流体、热学、声学、电气、电磁等学科,不仅能够解决电池组、牵引电动机等部件的开发问题,而且可以应用于噪声、振动、声振粗糙度特性,以及轻量化等方面的性能优化分析[4]。

从广义上讲,计算机辅助工程仿真技术包括有限元计算机辅助工程、专业仿真计算机辅助工程、系统级设计仿真等工业领域中应用到的所有仿真类技术[5]。有限元计算机辅助工程作为一种零部件可靠性分析的重要手段,与传统试验验证相比,可以有效降低反复样机试验带来的高成本消耗,提高零部件的设计开发效率。Hypermesh和ABAQUS作为有限元计算机辅助工程仿真分析的主流软件,主要功能涵盖了模型前处理、计算分析、结果后处理等环节[6]。

柴油机的基本结构包括曲柄连杆机构、配气机构、传动机构、燃油供给系统、冷却系统、气动系统[7]。柴油机在工作过程中会产生大量热量,需要冷却水将多余的热量带走,同时高温冷却水需要通过风扇进行冷却。因此,风扇系统在冷却系统中起到至关重要的作用,是保证柴油机正常运转的重要零部件。

现有某型号柴油机风扇系统无法满足客户提出的散热需求,计划重新设计风扇系统,需要对风扇系统的模态、强度、面压、滑移等进行分析,对结构设计的合理性进行验证。笔者应用Hypermesh软件对风扇系统进行网格划分,将模型导入ABAQUS软件进行模态、强度等计算分析,为风扇系统的设计和结构优化提供理论参考。

2 有限元模型

风扇系统有限元模型如图1所示,这一系统主要由机体、风扇连接盘、风扇皮带轮、风扇托架、风扇自带法兰、螺栓等组成。风扇系统的主要考察零部件为风扇连接盘和风扇托架。

▲图1 风扇系统有限元模型

在计算分析时,除螺栓外的零部件均采用二阶四面体单元,其中非考察件平均网格大小为3～6 mm,风扇连接盘和风扇托架作为考察零部件,平均网格大小为2～3 mm。风扇托架有限元模型如图2所示。

▲图2 风扇托架有限元模型

3 材料参数

风扇系统中各零部件材料参数见表1,风扇质量属性参数见表2,螺栓参数见表3。风扇皮带轮受力为2 849 N,方向为247.3°。

表1 风扇系统零部件材料参数

表2 风扇质量属性参数

表3 螺栓参数

4 边界条件与载荷

模态是机械结构系统的固有振动特性[8],与系统的质量和刚度密切相关,在进行模态计算时不需要施加载荷。在强度计算过程中,需要对系统添加载荷,包括风扇皮带轮所受的皮带拉力、螺栓预紧力,以及六个方向上的冲击载荷,笔者在计算中施加的冲击载荷为15倍重力加速度。边界条件与载荷如图3所示。

5 接触

风扇系统接触如图4所示。在模态计算时,各接触面均采用ABAQUS软件中的Tie连接。在强度计算时,风扇托架与机体、风扇连接盘与风扇皮带轮及风扇自带法兰采用摩擦接触,风扇皮带轮采用ABAQUS软件中的Coupling约束,其余接触面均采用Tie连接。风扇系统接触如图4所示[9]。

▲图3 边界条件与载荷

▲图4 风扇系统接触

6 模态计算结果

应用ABAQUS软件计算得到风扇系统模态计算结果,见表4。其中,一阶模态振型如图5所示。

表4 风扇系统模态计算结果

▲图5 风扇系统一阶模态振型

从上述计算结果可以看出,风扇系统一阶频率为164.8 Hz,高于最高空车转速2 400 r/min对应的点火激励的1.2倍(144 Hz),避开了共振,模态计算结果满足设计要求。

7 强度计算结果

在风扇质量、皮带拉力,以及各向冲击的共同作用下,通过静强度计算分析得到风扇托架的等效应力,见表5。

表5 风扇托架等效应力计算结果

由表5可以看出,风扇托架的等效应力最大值为198 MPa。风扇托架应力云图如图6所示。风扇托架使用的材料为QT600,屈服强度为370 MPa。风扇托架的等效应力最大值低于材料屈服强度,零部件不会发生塑性变形,因而静强度满足设计要求。

▲图6 风扇托架应力云图

8 滑移计算结果

风扇托架与机体采用螺栓连接,滑移分布云图如图7所示。螺孔周围的最大滑移量为0.012 mm,低于0.015 mm的限值要求,滑移满足设计要求。

▲图7 风扇托架滑移分布云图

风扇连接盘与风扇皮带轮采用螺栓连接,滑移分布云图如图8所示。接触面间螺孔周围的最大滑移量为0.036 mm,高于0.015 mm的限值要求,滑移未满足设计要求。此处连接螺栓有断裂风险,需要对结构进行优化。

▲图8 风扇连接盘滑移分布云图

9 优化设计

对风扇连接盘处的结构进行优化设计,将一根长螺栓同时连接风扇自带法兰、风扇连接盘和风扇皮带轮改为两根螺栓分别连接风扇自带法兰与风扇连接盘、风扇连接盘与风扇皮带轮,螺栓参数见表6。优化设计风扇连接盘如图9所示。

表6 优化设计风扇连接盘螺栓参数

▲图9 优化设计风扇连接盘

对优化设计风扇连接盘的等效应力进行计算分析,计算结果见表7。

表7 优化设计风扇连接盘等效应力计算结果

由表7可以看出,优化设计风扇连接盘的等效应力最大值为263 MPa。优化设计风扇连接盘应力云图如图10所示。优化设计后,最大等效应力低于QT450材料的屈服强度(310 MPa),静强度满足设计要求。

▲图10 优化设计风扇连接盘应力云图

同时对优化设计风扇连接盘与风扇皮带轮的接触面进行滑移分析。该面采用M12螺栓连接,接触面间螺孔周围的面压均不低于1 MPa,并且分布均匀、连续、无间断,面压满足设计要求。最大滑移量为0.005 mm,与原方案相比,滑移得到显著改善,且低于0.015 mm的限值要求,滑移满足设计要求。优化设计风扇连接盘滑移分布云图如图11所示。

▲图11 优化设计风扇连接盘滑移分布云图

10 结束语

笔者在柴油机风扇系统设计开发过程中,采用仿真方法对方案的可行性进行分析,并根据计算结果提出优化建议,对设计方案进行了优化改进。分析结果表明,优化设计的风扇连接盘螺栓连接可靠。采用有限元计算机辅助工程仿真技术对零部件进行分析校核,可以有效缩短产品的研发周期,节约时间成本[10]。